Линейный двигатель. Электропривод с линейными двигателями

Подавляющее большинство электродвигателей является электродвигателями вращательного движения. В то же время многие рабочие органы производственных машин должны по технологии своей работы осуществлять поступательное (например, конвейеры, транспортеры и др.) или возвратно-поступательное движение (механизмы подачи станков, манипуляторы, поршневые и другие машины).

Преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется посредством специальных кинематических звеньев: винт-гайка, шарико-винтовая передача, шестерня-зубчатая рейка, кривошипно-шатунная передача и другие.

Естественным для конструкторов рабочих машин является желание использовать для привода рабочих органов, совершающих поступательное и возвратно-поступательное движение, двигателей, ротор которых движется линейно.

В настоящее время получают развитие электроприводы, использующие линейные асинхронные, вентильные и . Принципиально линейный двигатель любого типа может быть образован из двигателя вращательного движения путем линейной развертки цилиндрического статора в плоскость.

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если развернуть статор асинхронного двигателя в плоскость. При этом вектор намагничивающих сил статора будет линейно перемещаться вдоль развертки статора, т.е. при этом образуется не вращающееся (как в обычных двигателях), а бегущее электромагнитное поле статора.

В качестве вторичного элемента может использоваться ферромагнитная полоса, располагаемая с небольшим воздушным зазором вдоль развертки статора. Эта полоса играет роль короткозамкнутого ротора. Вторичный элемент увлекается движущимся полем статора и линейно перемещается со скоростью, меньшей скорости движения поля статора на величину линейного абсолютного скольжения.

Линейная скорость бегущего электромагнитного поля будет

где τ, м - полюсное деление - расстояние между соседними полюсами линейного асинхронного двигателя.

Скорость вторичного элемента

где sЛ - относительное линейное скольжение.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты получаемые скорости поля будут достаточно велики (более 3 м/с), что затрудняет использование этих двигателей для привода промышленных механизмов. Такие двигатели применяются для высокоскоростных транспортных механизмов. Для получения более низких скоростей движения и регулирования скорости линейного асинхронного двигателя его обмотки питают от преобразователя частоты.

Рис. 1. Конструкция линейного однокоординатного двигателя.

Применяются несколько вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Одна из них показана на рис. 1. Здесь вторичный элемент (2) - полоса, соединенный с рабочим органом, перемещается по направляющим 1 под действием бегущего электромагнитного поля, создаваемого статором 3. Такая конструкция удобна для компоновки с рабочей машинной, однако, она сопряжена со значительными потоками рассеяния поля статора, вследствие чего cosφ двигателя будет низким.

Рис.2. Линейный двигатель цилиндрической конструкции

Для увеличения электромагнитной связи между статором и вторичным элементом, последний размещают в прорезь между двумя статорами, либо конструкция двигателя выполняется в виде цилиндра (см. рис. 2). В этом случае статор двигателя представляет собой трубку (1), внутри которой расположены цилиндрические наборные катушки (2), являющиеся обмоткой статора. Между катушками размещены ферромагнитные шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Вторичный элемент - шток трубчатой формы также выполнен из ферромагнитного материала.

Линейные асинхронные двигатели могут также иметь обращенную конструкцию, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие двигатели обычно применяются на транспортных средствах. В этом случае в качестве вторичного элемента используется рельс или специальная полоса, а статор размещается на подвижной тележке.

Недостатком линейных асинхронных двигателей является низкий к.п.д и связанные с этим потери энергии, прежде всего, во вторичном элементе (потери скольжения).

В последнее время кроме асинхронных начали применяться . Конструкция линейного двигателя такого типа аналогична представленной на рис. 1. Статор двигателя развернут в плоскость, а на вторичном элементе размещаются постоянные магниты. Возможен вариант обращенной конструкции, когда статор является подвижной частью, а вторичный элемент с постоянными магнитами неподвижен. Переключение обмоток статора производится в зависимости от относительного положения магнитов. С этой целью в конструкции предусмотрен датчик положения (4 - на рис. 1).

Для позиционных приводов эффективно применяются также линейные шаговые двигатели. Если развернуть в плоскость статор шагового двигателя, а вторичный элемент выполнить в виде пластины, на которой путем фрезерования канавок образованы зубцы, то при соответствующем переключении обмоток статора вторичный элемент будет совершать дискретное движение, шаг которого может быть весьма малым - до долей миллиметра. Часто применяется обращенная конструкция, в которой вторичный элемент неподвижен.

Скорость линейного шагового двигателя определяется величиной зубцового деления τ, числом фаз m и частотой переключения

Получение высоких скоростей движения не вызывает трудностей, поскольку увеличение зубцового деления и частоты не лимитируется технологическими факторами. Ограничения существуют для минимального значения τ, т.к. отношение зубцового деления к величине зазора между статором и вторичным элементом должно быть не меньше 10.

Использование дискретного привода позволяет не только упростить конструкцию механизмов, совершающих линейное однокоординатное движение, но и дает возможность с помощью одного привода получить двух или многокоординатное движение. Если на статоре подвижной части расположить ортогонально две системы обмоток, а во вторичном элементе выполнить канавки в двух перпендикулярных направлениях, то подвижный элемент будет совершать дискретное движение в двух координатах, т.е. обеспечивать перемещение на плоскости.

В этом случае возникает задача создания опоры для подвижного элемента. Для ее решения может использоваться воздушная подушка - напор воздуха, подаваемого в пространстве под подвижным элементам. Линейные шаговые двигатели развивают относительно низкое тяговое усилие и имеют низкий к.п.д. Основной областью их применения являются легкие манипуляторы, легкие сборочные станки, измерительные машины, станки для лазерной резки и другие устройства.

Архаичность большинства приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное - просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Линейный двигатель

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи - продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного - возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор - к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

-крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;

-реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания "СОДИК" организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (!!!) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков "СОДИК".

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z - два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора, каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще - в них всего по одному ЛД.

1. Введение.

2.2 Разновидности.

2.2.2 Дуговой двигатель.
2.2.3 Трубчатый двигатель.
2.3 Применение.

3.2 Применение.

4.1 Применение.
5. Вывод.

1. Введение.

Интересные и широкие перспективы развития электропривода связаны с применением так называемых линейных двигателей.
Большое число производственных механизмов и устройств имеют поступательное или возвратно-поступательное движение рабочих органов (подъёмно-транспортные машины, механизмы подач различных станков, прессы, молоты и т.д.). В качестве привода этих механизмов и устройств использовались обычные электродвигатели в сочетании со специальными видами механических передач (кривошипно-шатунный механизм, передача винт-гайка), преобразовавших вращательное движение рабочего органа.
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и постоянного тока, повторяя по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения.

2. Линейный асинхронный двигатель.

2.1 Конструкция и принцип действия.

Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать (рис. 1) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость, как это показано на рисунке. Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью, пропорциональной частоте питающего напряжения и длине полюсного деления. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор - в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом - под действием этой силы начнёт двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе.

2.2 Разновидности.
2.2.1 Конструктивные параметры.

Представленная на рис. 2 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 2а) или короче его (рис. 2б). Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Часто - и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя - в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как показано на рис. 2д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 2в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 2г). Двигатель с конструктивной схемой, приведённой на рис. 2д, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 2в - с двусторонним статором и со схемой по рис. 2г - с односторонним статором и сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование не магнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 2в, г. Некоторое распространение получили сложные составные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода. Принцип действия линейных двигателей с вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте.

2.2.2 Дуговой двигатель.
Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 3.Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его статора 1 от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3.

Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу α = 2τр, где τ - длина полюсного деления и p - число пар полюсов. Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол 2τр/р = α/р, а в течение одной минуты поле повернётся на n = α/p*60f/2π оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения n, об/мин.
Выбирая различные α, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.

2.2.3 Трубчатый двигатель.
Конструкция трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 4.

Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала.
При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

2.3 Применение.

Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения транспортных средств.
Другое, не менее важное обстоятельство связанно с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо длят обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости движения средств транспорта при использовании линейных двигателей могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксование колёс электрического транспорта.

Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 5.

Линейный двигатель, укреплённый на тележке 3 подвижного состава, имеет конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является укреплённая между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя подаётся с помощью скользящих контактов. Известны также конструкции линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс и элементы несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 6 в качестве примера показаны отечественный линейный двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении.

Рис. 7

На рис. 7 показан пример использования линейных асинхронных двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий.
Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укреплённую на барабанах 4. Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера.
Большой интерес представляет использование линейного двигателя для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема такого молота, показана на рис. 8.Статор линейного двигателя 1 располагается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки 3. Ударная часть молота 4 является одновременно вторичным элементом двигателя.
Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направленно вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебёдки.

Электрический молот, прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления двигателей, не чувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.

3. Линейный двигатель постоянного тока.

Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются линейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных пусковых усилий.

3.1 Конструкция и принцип действия.

Линейные электродвигатели постоянного тока состоит из якоря с расположенной на нём обмоткой, служащей одновременно коллектором (направляющий элемент), и разомкнутого магнитопровода с обмотками возбуждения (подвижная часть), расположенными так, что векторы сил, возникающих под полюсами магнитопровода, имеют одинаковое направление. Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов.

3.2 Применение.

На рис. 9 показана схема линейного двигателя постоянного тока, который применяется для перемещения промышленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двигатель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по образующей и развёрнутый в плоскость.

Подвижная часть двигателя - якорь - состоит из немагнитного остова 1 и укреплённой на нём обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги путём её травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы двигателя). Токопровод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3 и щёток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками возбуждения 7, размещённых в ряд по направлению движения якоря. Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечники 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала. Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости с обмотками всё время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полюсами 6. На принципе работы линейного двигателя основано действие специальных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидродинамическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя.
Магнитогидродинамические насосы (МГД - насосы) могут быть постоянного или переменного тока. Рассмотрим схему насоса постоянного тока.

Первичным элементом - статором двигателя является С - образный электромагнит 1. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод 2 с жидким металлом. С помощью электродов 3, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего устройства. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов 3. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу, причём направление его движения просто определить по известному правилу левой руки. Преимуществами МГД - насосов являются отсутствие движущихся механических частей, и возможность герметизации канала транспортировки металла.

4. Линейный синхронный двигатель.

В последние годы всё шире используются синхронные линейные двигатели. Основной областью применения этих двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности, и его применение оказывается экономически не выгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с коэффициентом мощности, близким к единице.
Следует отметить, что применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с так называемой магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

4.1 Применение.

На рис. 11 показана схема путепровода и вагона электропоезда со скоростью движения 400 - 500 км/ч, предназначенного для перевозки 100 пассажиров.

Рис. 11

Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромагнитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укреплённых под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток используется жидкий гелий. Плоская трёхфазная обмотка переменного инвертора, преобразующего напряжения постоянного тока в трёхфазное напряжение переменного тока.
С помощью инвертора осуществляется пуск, изменение скорости движения и торможение поезда.
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно, плоский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопления льда и снега. Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помощью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из удлинённых сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по краям днища вагона, из плоских алюминиевых полос 4, укреплённых в полотне дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии потоков сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых токов, наведённых в алюминиевых полосках 4. Расчёты показали, что при использовании магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздушной подушке.
Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его движении применяется специальная система стабилизации. Она предусматривает укладку дополнительной обмотки вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой обмотке с полем тяговых электромагнитов. Разработанная система электрической тяги с применением описанного выше синхронного линейного двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако для её работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удорожает изготовление системы и усложняет её обслуживание, особенно при значительной протяжённости дороги. В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхронных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так называемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели того и другого исполнения были использованы для привода 50 - тонного состава со скоростью движения 480 км/ч.

На рис. 12 показана схема синхронного линейного двигателя с униполярным возбуждением. Двигатель имеет два статора 1, установленных на подвижной части состава. Бегущее магнитное поле создаётся с помощью обмоток 2, подключаемых к сети переменного тока. Статоры соединяются магнитопроводом 3, на котором расположена обмотка униполярного возбуждения 4. Эта обмотка создаёт постоянный по направлению магнитный поток, который пронизывает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладываемый в магнитопровод. Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вторичным элементом создаёт силу тяги подвижного состава.
Сопоставление линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяговое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД (около 80%) и большую массу на единицу мощности двигателя.

5. Вывод.

Применение линейных электродвигателей позволяет упростить или полностью исключить механическую передачу, повысить экономичность и надёжность работы привода и производственного механизма в целом.

6. Список литературы.

1. В.В. Маскаленко, Электрические двигатели специального назначения, Энергоиздат 1981.
2. Кавалёв Ю.М., Электрические машины, - М.: Энергия, 1989.

Основные изменения, происходившие в приводной части станков за последний век, связаны с постепенным приближением двигателя к рабочему органу. На этом пути были массивные коробки подач с огромным количеством промежуточных элементов кинематической цепи, двух-трех ступенчатые редукторы, ременные передачи, прямые приводы через муфту. Всегда переход к следующему этапу был связан с применением последних научных разработок, получивших тем или иным способом свое приложение в станкостроении, появлением новых технологий либо удешевлением существующих. Изначально крайне дорогими являлись приводы на основе регулируемых электродвигателей и с шарико-винтовыми парами (ШВП), поэтому лишь отдельные производители находили целесообразным их использование. В наши дни уже сложно представить современный станок, который бы обошелся без ШВП или в котором величина подачи регулируется ступенчато, за счет перемещения блоков зубчатых колес.

Характерно то, что на каждом этапе никогда сразу не появлялась конструкция, оптимальная во всех отношениях. Совершенствование всегда происходило путем проб и ошибок, последовательной доработкой и устранением недостатков. В конечном итоге повсеместное распространение получали конфигурации узлов, прошедшие проверку временем, длительной эксплуатацией и доказавшие свою экономическую эффективность.

Рис. 1. ШВП

Такой вот отработанной, давно зарекомендовавшей себя, проверенной конструкцией является на данный момент привод с использованием ШВП, связанной с двигателем напрямую посредством муфты, реже ремня или зубчатой передачи. Производство всех элементов привода уже давно отработано, технологии оптимизированы, поэтому и стоимость вполне конкурентоспособна.

Тем не менее, желание конструкторов максимально сократить кинематическую цепь никуда не исчезло. Последней ступенькой, через которую надо было перешагнуть, стала шарико-винтовая пара. И сделать это позволили линейные двигатели.

Применение линейных двигателей в приводах подач современных станков является тем закономерным результатом, к которому привела их эволюция на протяжении десятков последних лет. Однако сейчас использование линейных приводов находится лишь на начальной стадии. Технология их изготовления до сих пор не до конца автоматизирована, цена высока, а применение далеко не всегда уместно. Линейный двигатель не получил своего «эталонного» воплощения (или ряда таких воплощений, испытанных временем, выбор из которых производится в зависимости от специфики использования) и существуют различные конструктивные исполнения, которые, несмотря на ряд безусловных общих преимуществ, значительно отличаются друг от друга, имея различные сильные и слабые стороны. Это тот этап, который проходит любая инновация. И все больше производителей останавливаются на линейных двигателях для приводов подач, причем как для оборудования специфического, такого, как электроэрозионные станки, так и для фрезерных и токарных станков .

Использование линейных двигателей оправдано для прецизионного оборудования и в том случае, когда большую роль играет динамическая характеристика привода: максимально допустимые ускорения, величины максимально и минимально допустимых скоростей. Тем не менее, даже на оборудование такого класса линейные привода устанавливаются, зачастую, лишь в маркетинговых целях, ведь ультрапрецизионное оборудование по умолчанию должно быть «напичкано» инновациями, позволяющими добиться высочайшей точности, недоступной конкурентам. При этом позабытыми оказываются как экономическая эффективность использования таких приводов, которая приводит к неоправданному повышению стоимости обработки, так и технологическая необходимость такого решения в целом.

В свете вышесказанного обращает на себя внимания стратегия, выбранная компанией Mitsubishi Electric . Более 40 лет назад компания представила свой первый электроэрозионный проволочно-вырезной станок, а уже в 1978 году — серийный высокоскоростной и высокоточный 4-х координатный электроэрозионный проволочно-вырезной обрабатывающий станок .

Рис. 2. Mitsubishi NA1200

Сегодня ноу-хау, накопленное за многие десятилетия в сочетании с интенсивной исследовательской работой, остаются решающим критерием при разработке новых систем электроэрозионной обработки. Являясь одним из ведущих производителей электроэрозионного оборудования и в то же время одним из крупнейших производителей линейных двигателей, японская фирма вплоть до недавнего времени не устанавливала их на свои станки. Лишь в 2009 году на станках серии NA (рис. 2) впервые были применены линейные двигатели (цилиндрические). Возникает вопрос, почему гигантская корпорация отказывается от использования в своем оборудовании своих же собственных компонентов, несмотря на то, что эти компоненты (линейные двигатели) успешно продаются по всему миру?

Стоит внимательно присмотреться к конкретным конструкциям, чтобы получить ответ на этот вопрос.

На сегодняшний день наиболее распространенными в металлообрабатывающих станках являются плоские линейные двигатели. Принципиальная схема такого двигателя приведена на рис. 3.

Рис. 3. Плоский линейный двигатель: принципиальная схема

Двигатель состоит из двух основных частей: ползуна, представляющего собой сердечник 1 с обмотками 2 и неподвижной частью с постоянными магнитами 3.

Как раз наличие сердечника и является основным источником характерных данному типу двигателей недостатков:

Рассмотрим теперь линейный двигатель, использованный компанией Mitsubishi Electric . В ультрапрецизионном станке Mitsubishi NA 1200 в качестве приводов по осям X, Y, U, V использованы цилиндрические линейные двигатели

Принципиальная схема цилиндрического линейного двигателя представлена на рис. 12. Особенность его конструкции заключается в том, что обмотки 2 расположены вокруг сформированных в виде цилиндра постоянных магнитов 1, а сердечника нет в принципе!

Рис. 12. Цилиндрический линейный двигатель: принципиальная схема

Цилиндрический линейный двигатель, благодаря своей конструкции, лишен всех рассмотренных выше недостатков плоского линейного двигателя. Остановимся подробнее на каждом из них.

Вернемся к вопросу, который прозвучал в начале: почему же лишь сравнительно недавно линейные двигатели появились в станках Mitsubishi? Теперь ответить на него значительно проще.

Рис. 18. Mitsubishi MV1200R

Очевидно, что специалисты компании, в угоду желанию быть на гребне волны технического прогресса, не стали отдавать предпочтение плоским линейным двигателям, которые не устраивали их в первую очередь по экономическим показателям: высокая собственная стоимость, высокая стоимость эксплуатации и ремонта, которые неминуемо переносятся на стоимость получаемой на станке детали. До тех пор, пока использование классических приводов с ШВП было оправданно экономически и при этом позволяло добиваться высочайшей точности обработки, инженеры компании лишь присматривались к тому, как покажут себя линейные двигатели применительно к электроэрозионным станкам. В результате решение нашлось. На рынке появился относительно новый тип линейных двигателей — цилиндрический линейный двигатель (ЦЛД), который обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогами и весьма эффективен с экономической точки зрения: низкое потребление энергии, простота производства и сборки. Все те недостатки плоских линейных двигателей, рассмотренные выше, не свойственны цилиндрическим .

В 2009 году в производство была запущена серия ультрапрецизионных станков NA с ЦЛД. Эти станки великолепно зарекомендовали себя и заставили задуматься японских специалистов о модернизации и остальных станков, производимых фирмой. В марте 2012 года компания Mitsubishi Electric объявила о начале производства новой серии MV с ЦЛД и продемонстрировала эти станки на выставке «INTERMOLD 2012» в Осаке (Япония). Серия MV призвана заменить прекрасно себя зарекомендовавшие серии FA и BA. Притом, что новые станки обладают великолепными технологическими возможностями и превосходной точностью, главное их преимущество — в экономичности и чрезвычайно низких текущих издержках. Во многом благодаря использованию ЦЛД, станки серии MV потребляют на 69% меньше энергии, чем их предшественники и на 42% позволяют снизить стоимость обработки при 30% сокращении времени! Это действительно потрясающий результат, который позволяет утверждать, что ЦЛД будут и дальше успешно использоваться в станках компании Mitsubishi Electric.

Применение ЦЛД потребовало разработки и применения самой передовой технологии управления с использованием сверхскоростной оптоволоконной связи и системной коммуникацией в режиме реального времени. Безусловно, нас ждет дальнейшее совершенствование конструкции и системы управления, но уже сейчас можно достаточно уверенно утверждать, что применение ЦЛД в электроэрозионных станках — это инновационное решение, которое ознаменовало собой новый этап эволюции в станкостроении.

Распечатать

Электропривод

Современные тенденции в развитии линейных сервоприводов

Исторически сложилось, что промышленность так или иначе зависит от разного рода винтовых и ременных передач или пневматических механизмов для решения задач линейного позиционирования. Но растущий спрос на увеличение скорости пропускной способности, миллионы рабочих циклов, гибкость настройки и программирования выявил недостатки данных механизмов. Зачастую приходится идти на компромисс, если дело доходит до точного контролируемого позиционирования в поступательном движении.

В последнее время производители пневмоприводов обновили устройства управления пневматических цилиндров с внешними регулирующими клапанами, датчиками положения и сервоэлектроникой в целях решения некоторых из этих трудностей. Но не так просто построить замкнутую систему позиционирования, учитывая высокий коэффициент трения и динамическую вязкость сжатого воздуха. Управление становится проблематичным из-за упругости и трения воздуха, а также трения поршня.

Технология непосредственного привода линейного двигателя обеспечивает значительно лучший подход к решению задач позиционирования. Данная технология предполагает прямое применение силы электромагнитного взаимодействия без использования ремня, шариковинтовой передачи или иного промежуточного звена. Линейный привод производит непосредственное линейное перемещение, а не преобразует вращательное движение в поступательное.

1. Устройство линейного двигателя

Самый простой способ описать устройство линейного двигателя – это представить двигатель вращения с постоянными магнитами, разрезанный вдоль и развернутый в плоскость. Традиционные линейные двигатели имеют именно такую конструкцию.

Новые линейные двигатели, так называемые tubular linear actuator, имеют форм-фактор соленоида.

Сам двигатель находится в пределах немагнитного корпуса из нержавеющей стали, так называемой каретки. Самонесущая обмотка находится внутри каретки вместе с подшипником скольжения изготовленного из специального полимерного материала. Внутри обмотки размещается подвижный элемент – шток. Шток представляет собой полый немагнитный цилиндр из нержавеющей стали, в котором размещены небольшие сверхпрочные редкоземельные магниты в форме таблеток. Подвижный шток является ключевым компонентом двигателя, он воплощает в себе запатентованный дизайн, который позволяет создать точное синусоидальное магнитное поле по всей его длине. Данная особенность позволяет использовать интегрированные в корпус двигателя датчики обратной связи вместо традиционных внешних датчиков положения. Это важно, поскольку внешние датчики линейных перемещений зачастую могут стоить почти столько же, сколько и сам привод, кроме того, они сами являются высокоточными устройствами, которые требуют специальных условий окружающей среды, точной настройки и технического обслуживания. Интегрированные датчики Холла располагаются на электронной плате под защитной крышкой каретки.

Трубчатый форм-фактор дает поразительные преимущества. Данное исполнение обеспечивает математически идеальную ориентацию магнитного поля между обмотками каретки двигателя и магнитным штоком. Все магнитные силовые линии пересекают проводники с током под прямым углом. Такая ориентация позволяет создать максимальное усилие и эффективность. Высокая эффективность в свою очередь означает минимальное количество выделяемого тепла, которое максимизирует количество рабочих циклов.

Линейным электродвигателем можно управлять с помощью любого трехфазного серводрайвера постоянного тока, который также имеет sin/cos интерфейс обратной связи. Тем не менее лучших динамических показателей можно достичь только при использовании драйверов, специально оптимизированных для работы с линейными двигателями. В частности, такие виды контроллеров движения предлагает компания Copley Controls.

2. Вращательное движение в поступательное.

Как правило, вращательное движение преобразуют в поступательное посредством следующих решений:

– Винт-гайка скольжения
– Шарико-винтовая передача (ШВП)
– Шестерня-рейка
– Ременная передача.

Кратко рассмотрим данные преобразующие передачи.

2.1. Передача винт-гайка скольжения: представляют собой приводной механизм, служащий для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки; работает на принципе трения-скольжения.

Преимущества: низкая цена, необратимый ход, высокое развиваемое усилие.

Недостатки: как правило, эффективность данной передачи зависит от типа приводного двигателя и составляет приблизительно 10–40%; устройству свойственны износ и постоянно нарастающий люфт; винт необходимо содержать в чистоте, даже небольшое загрязнение может привести к снижению эффективности или заклиниванию системы.

2.2.ШВП: принцип работы тот же, что и у передачи винт-гайка, за исключением того, что гайка содержит винтовые канавки криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для шариков, которые перемещаются между витками винта и гайки. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал возвращаются в исходное положение.

Преимущества: передача имеет очень высокую степень эффективности – до 98%, большой срок эксплуатации, высокую точность и малый люфт. Недостатки: высокая стоимость; при использовании ШВП необходимо учитывать значительные аксиальные нагрузки, наводимые на выходной вал двигателя, как следствие, требуется применение дополнительной подшипниковой опоры; винт также необходимо содержать в чистоте во избежание заклинивания.

2.3.Шестерня-рейка : шестерня, вращаясь на валу двигателя, приводит в движение зубчату рейку. Преимущества: являет собой достаточно эффективное решение в экономическом плане, также подходит для применений, где требуется большая длина перемещений, большое усилие и точность; эффективность передачи достигает 95%.

Недостатки: как правило, конструкция имеет люфт, для уменьшения люфта необходимо изготавливать контактные зубья с более высокой точностью либо увеличить прижимную силу между шестерней и рейкой, высокая прижимная сила вызывает большие радиальные нагрузки на выходной вал двигателя или редуктора; при движении существует небольшая пульсация скорости; движение носит относительно шумный характер.

2.4.Ременная передача: шкив на валу вращает ремень, который перемещает нагрузку в линейном направлении.

Преимущества: недорогое решение, точность не лучше 50 мкм.

Недостатки: ремень подвержен износу при высоких скоростях и нагрузках; ремень может растягиваться; малый люфт требует высокую степень натяжения ремня, это в свою очередь увеличивает радиальные нагрузки на выходном валу.

Что касается линейных двигателей, то они вобрали практически все преимущества описанных выше устройств и исключили большинство их недостатков. Например, отсутствие винта, гайки и прочих механических узлов делает линейный сервопривод малошумным устройством. Отсутствие элементов, подверженных износу, увеличивает срок эксплуатации двигателей. Например, если необходима высокая точность позиционирования при небольших нагрузках и высоких скоростях, то линейный двигатель способен обеспечить гораздо больший срок эксплуатации, чем сервопривод с ШВП. По тем же причинам линейные приводы в трубчатом форм-факторе не испытывают инерции, отсутствуют такие факторы, как гистерезис и люфт. Результатом является превосходная динамическая жесткость.

Наконец, трубчатые линейные двигатели сегодня находятся не на их физическом пределе. Требования будущих приложений создает необходимость в постоянном уменьшении приводов и в увеличении их чувствительности. Поэтому предел размеров двигателя зависит от стоимости, а не от фундаментальной физики.

3. Линейные серводвигатели Faulhaber

Для реализации особо точного программируемого линейного движения Faulhaber предлагает серию линейных серводвигателей.

Эти приводы при компактном размере (двигатель LM2070 – 20 мм сторона квадрата каретки и 70 мм длина) развивают усилия до 27 Н, могут использоваться как в режиме двигателя (двигается каретка при зафиксированном вале), так и в режиме актуатора (двигается вал, каретка зафиксирована). Благодаря интегрированным линейным датчикам Холла, могут быть достигнуты точности позиционирования до 120 мкм и повторяемости до 40 мкм без применения каких-либо внешних датчиков.

Линейные серводвигатели не требуют смазки либо какого-либо дополнительного обслуживания при работе, бесшумны, развивают скорость до 3,2 м/с, а ускорения – до 198 м/с2. Линейные двигатели Faulhaber предлагаются с различной длиной штока. Доступны исполнения как для работы с компактными контроллерами производителя, так и с синусно-косинусной обратной связью, позволяющие реализовать управление с помощью ПЛК-контроллера. Кроме того, компания Faulhaber, предлагает контроллеры движения специально для работы с линейными двигателями, позволяющие реализовать полноценную настройку и конфигурацию линейного привода. Они свободно программируемы и поддерживают как последовательный интерфейс RS-232, так и сетевой интерфейс CAN.

4. Линейные серводвигател Dunkermotoren

Линейные серводвигатели Dunkermotoren серии ServoTube доступны в двух исполнениях:

1. Двигатели прямого привода, предназначенные для реализации работы в режиме актуатора (подвижный шток двигателя).

2. Компоненты линейных сервосистем, предназначенные для использования в качестве OEM-комплектующих и требующие установки дополнительных подшипников. С помощью таких компонент возможно реализовать работу двигателя с нагрузкой, приложенной непосредственно к каретке при зафиксированном штоке.

В состав двигателя входит интегрированный датчик обратной связи по положению, обеспечивающий повторяемость до 12 микрон. В линейные серводвигатели Dunkermotoren интегрированы линейные подшипники, обеспечивающие долгий срок службы изделия и не требующие дополнительной смазки и другого обслуживания. Серия линейных серводвигателей ServoTube может похвастать диапазоном развиваемых скоростей до 9,4 м/с и ускорений до 586 м/с2. Актуаторы характеризуются классом защиты IP67 и развивают постоянное рабочее усилие от 7 до 276 Н при долговременных нагрузках. Все двигатели соответствуют индустриальным стандартам, что позволяет провести их быстрое внедрение в уже работающие системы. Предлагается большое количество аксессуаров для интеграции актуаторов на базе линейных серводвигателей на замену пневмоцилиндров. Для комплектации с двигателями также предлагаются различные управляющие контроллеры от производителя двигателей.

4.1. Специальная версия защищенных линейных серводвигателей

Специальная серия серводвигателей Dunkermotoren представляет собой мехатронные изделия, реализующие работу в режиме актуатора.

Двигатели этой серии отличаются корпусом, выполненным из нержавеющей стали и характеризуются классом защиты IP69K. Водяное охлаждение двигателей этой серии позволяет развить усилие до 460 Н. В двигатель интегрирован энкодер с разрешением 10 мкм, что обеспечивает повторяемость 25 мкм. режиме актуатора (подвижный шток). Питание двигателя осуществляется от трех фаз, величина питающего напряжения может достигать 600 В. Благодаря этому возможно использование как управляющей электроники, предлагаемой Dunkermotoren, так и контроллеров от сторонних производителей.

4.2. Модули линейного движения

Модули линейного движения компании Dunkermotoren - это готовые к использованию и интеграции в создаваемые системы мехатронные решения. В основе модуля лежит линейный серводвигатель Dunkermotoren, оснащенный направляющей, концевыми выключателями, цепным шлейфом и другими сопутствующими компонентами. Опционально возможно оснащение модуля линейным энкодером с разрешением до 1 мкм для решения задач позиционирования с высокой точностью.

Модуль линейного движения может иметь от 1 до 3 степеней подвижности комплектуется всегда индивидуально по ТЗ заказчика. Использование модулей линейного движения на базе линейных серводвигателей является хорошей альтернативой приводам на базе шариковинтовых и ременных передач. Модули Dunkermotoren широко применяются в упаковочных машинах и других автоматических линиях.

Илья Герасимов, инженер ООО "Микропривод"

Фотографии предоставлены ООО "Микропривод"

Электропривод 23.10.2017 Вертикальные оси представляют определенные риски, особенно когда работа непосредственно под ними неизбежна. Поэтому необходимо надежное обеспечение защиты в металлорежущих станках.

Возможно, будет полезно почитать: